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公設化集合論的奧秘 (7)為何能比無限大還大?

翁 昌黎
・2014/12/17 ・2631字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

photo source:pixabay
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文 / 翁昌黎(《孔恩vs.波普》中文譯者)

「聞眾生界不可思議…聞法界不可思議… 聞虛空界不可思議」—大方廣佛華嚴經

如果沒有偉大而極富想像力的數學家康托,那我們迄今為止可能還以為無限大或無窮大就是最大的集合,而且它只有一種型態,就是從1、2、3、4、5一直往下數直到無窮無盡的龐大集合。但令人疑惑的是,所有自然數的集合既然都已經是無限大了,難道還能比它更大?不錯,康托在西元1874年不但找出這個更大的集合,而且還證明了它!

要理解這個比無限大還大的神奇之物,那就要請出ZF集合論的第7個公設—冪集合公設(Axiom of Power Set):

ZF7  X ∃Y ∀z  [z ∈ Y ∀ u (u∈z u X)]

這個公設看起來有點複雜,但我們如果引入一個關於子集合(subset)的定義就能讓問題簡化許多。以上句式中的 z X 的子集,寫成 zX ,它的定義是:∀ u (u∈z → u∈ X),恰好就是冪集合公設的後半部分。我們先按以上定義把冪集合公設改寫成比較簡單的形式:

ZF7 (1) X ∃Y ∀z  [z ∈ Y z X]

經過上面的簡化之後,冪集合公設的意思是:如果我們手頭上已經有某個 X 集合,那麼由 X 集合的所有子集合可以形成另一個新的集合 Y

這個公設讓我們又多了一個製造集合的方法,也就是把手頭上現成集合的子集合全部抓出來,將這些子集合作為元素來形成一個新集合,這就是ZF7所要做的事情。但我們還沒解釋什麼是子集合,根據定義,如果∀ u (u∈z → u∈ X)成立,也就是凡 z 的成員都是 X 的成員的話,那 z 就是 X 的子集合。

我們用個簡單的小集合作例子就容易明白了。假設有個包含1, 2, 3三個自然數的集合當作 X = {1, 2, 3} 。那 X 的子集合是甚麼? 首先 {1, 2, 3 } 是它自己的子集合。因為在這種情況下 z = X ,所以∀ u (u∈ X → u∈ X) 顯然成立,這就相當於說在 X 裡邊的元素必定在 X 裡邊一樣的廢話。進一步觀察發現,將 X= { 1, 2, 3 } 中的成員拿掉幾個,殘留的集合都是 X 的子集合,比如說 {1}、{1, 2}和 {2, 3}等都是。將這些子集合全部蒐集起來登記在 Y 底下所形成的集合就是 X 的冪集合。在以上 X= {1, 2, 3}的例子裡:

Y = { {1, 2, 3}, {1, 2}, {2, 3}, {1, 3}, {1}, {2}, {3}, {  } }

細心的讀者會發現裡面有個空集合,為了邏輯與數學上的嚴密性有必要解釋一下為什麼空集合也是 X 的子集合,但這麼重要的關鍵在許多數學課本裡卻提都不提。

剛剛談到 z X 的子集合是用∀u (u∈z → u∈ X) 來定義,那我們就把空集合 {  } 放到定義中看看符不符合子集合的規定。那就是要看 ∀ u (u∈{  } → u∈ {1, 2, 3})是否為真? 因為{  }中空空如也什麼都沒有,所以條件句u∈{  } → u∈ {1, 2, 3} 的前件u∈{  }對任何 u 來說都為假,因為不存在任何集合能滿足這個條件。因此根據實質涵蘊 → 的定義,前件為假則整個條件句為真,所以∀ u  (u∈ {  } → u∈ {1, 2, 3}) 為真。既然空集合滿足子集合成立的條件,所以我們可以安心地將其納入冪集合的成員裡頭。

好了,現在我們有了製造冪集合的方法,但要它有何用呢? 它有什麼神妙之處? 粗略觀察可以發現冪集合的成員數比原來集合的成員數還多一些,X 集合有3個成員而它的羃集合 Y 有8個成員。那麼如果我們拿剛剛被無限公設所承認的,包含所有自然數的集合來製造冪集合的話會發生什麼事呢?

在有限集合的情況下,冪集合 Y 的成員數鐵定比原來集合 X 的成員數還多。直覺似乎告訴我們既然所有自然數所形成的集合其成員數量已經是無限大那麼它的冪集合成員數量頂多也是無限大,因為不可能有比無限大更大的數量了。照理說兩者的成員數目應該一樣多才對,照這麼說的話那麼ZF7並沒有提供比ZF6更新鮮的東西。

但在羅素詭論的歷史教訓下,我們在數學領域還是對直覺適度存疑比較妥當。還是按照這個假設來做個實驗,看看 X 集合的冪集合 Y 所擁有的成員數目是否跟 X 集合一樣多。方法是這樣的:假設 Y 的成員和自然數的無限集合一樣多,那它的每個成員必然可以跟自然數對上號,那表示我們可以把它們 ( X 所有的子集合) 用S1, S2, S3,…, Sn,… 來編號排列,其中每個Sk (k=1, 2, 3…)都是 X 的子集合。可以用下表來說明:

未命名

現在來解釋一下這個表的意義。因為我們是把整個自然數集合拿來選取子集合,所以凡是被選進某個子集合的自然數就打上1,沒選上的就打 0,這樣每個子集合就可以用由 0, 1所形成的無窮序列來表示,每個序列都被標上序號。我們發現將這個子集合序列的對角線連起來會形成一個獨特的0, 1串列,比如在我們以上的例子裡,對角線串列是用紅色數目字表示的 001000101 …。我們利用這個串列來做個改裝,將其中凡是出現 0 的地方都改成1,凡是出現1的地方都改成 0,這樣就得到一個新的串列(上表藍字部分)S = 110111010…。

這個串列S有一個奇妙的特性,那就是它居然不落在無窮序列 Sk(k=1, 2, 3…  ) 裡面!為什麼呢? 仔細觀看S的變化可以發現它的第一個數字與S1 不同,所以S不是S1第二個數字與S2 不同,所以S也不是S2第三個數字與S3 不同…,也就是說S不可能出現在 Sk(k=1, 2, 3…) 這個無窮序列裡。

聰明的你可能會說,沒關係,把這個不合群的S重新放到Sk裡不就得了!反正Sk是個無窮序列,多一個不多,少一個不少,這樣以上的難題就解決了。先別高興太早,當你把這個S放進無窮序列之後,我們依然可以如法泡製,用同樣方法畫出一條新的對角線,然後得出一個新的0, 1串列,再將其中的 0轉成11再轉成0,於是又得到一個新串列S’。新串列S’ 仍然不在新形成的Sk裡,正所謂魔高一尺道高一丈上有政策下有對策,永遠會出現漏網之魚。

但這隻咬破魚網的小魚S意味著什麼呢? 千萬別小看它,它意味著全體自然數的集合還不夠大,自然數的無限集合無法窮盡由它所形成的冪集合,偉大的知識革命就在那條魚出現之處完成了。它意味自然數冪集合的成員數目居然比自然數的數目還要多!這是個革命性的發現,利用神奇的對角線論證,康托證明了存在著比全體自然數集合—所謂的可數無限(countable infinity)集合還要大的不可數無限(uncountable infinity)集合。跟這個發現相比哥倫布所謂的發現新大陸簡直就像扮家家酒。

無限公設ZF6送給我們第一個無限集合,但它只是可數的無限。ZF7帶給我們製造冪集合的方法,把ZF6的無限集合當成原料,利用ZF7這台神奇數學機器居然成功提煉出超乎想像的不可數無限集合,並將我們的數學知識帶到一個前所未有的嶄新世界。

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翁 昌黎
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中央大學哲學研究所碩士,曾籌劃本土第一場「認知科學與佛教禪修系統」對話之大型研討會,於1995年6月在法光佛教研究所舉行,並發表文章。後隱居紐西蘭,至今已20載。 長年關注「意識轉變狀態的科學」和「意識本質的科學與哲學」問題,曾與大寶法王辯經教授師拿旺桑結堪布成立「大乘佛教禪修研究中心」。其他研究興趣為「唯識學」、「超個人心理學」、「數理邏輯」、「公設化集合論」和「後設數學」等等。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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比大還要再大!比「無窮」還要更大是什麼概念?——《不用數字的數學》
經濟新潮社
・2022/09/28 ・2660字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

我們都知道無窮(infinity)是什麼。無窮比任何數都更大。當你從一二三不停數下去的時候你會靠近它。它也是萬物甚至更多事物的總和。

我們談到無窮時,一定會想知道一件事:

什麼事物比無窮大?圖/經濟新潮社

比無窮還大?有可能嗎?

這個問題其實真的有答案。它不是開放性問題,也不是陷阱題。答案不是「是」就是「否」,而且我會在這一章的結尾公布答案。

讀者可以先猜猜看,但我們或許應該先訂好遊戲規則,讓大家知道該怎麼思考。

具體說來,我們需要訂定關於「較大」的規則。我們要怎麼確定自己發現了比無窮更大的事物?如果是有限的量,要分辨某個事物比另一個事物更大相當容易,但碰到無窮時似乎就沒那麼簡單了。我們不希望完全靠感覺判斷,所以必須選擇簡單明瞭的規則,用來判定一個量是否比另一個量「更大」。

配對數量的多寡來判斷哪邊比較「大」

那麼,在一般、有限的狀況下,我們通常怎麼判定「較大」?我們說右邊這一堆比左邊的更大是什麼意思?

右邊這一堆比左邊的更大圖/經濟新潮社

沒錯,用看的就知道。但假設我們遇到一個外星人,這個外星人從沒聽過「更大」、「更多」、「更好」這些概念,我們該如何解釋右邊這堆較大?真的,試試看就知道。這個概念太基本了,其實很難從頭開始解釋。

當我們碰到困難時,數學中有個常用的技巧,就是提出完全相反的問題,看看會有什麼結果。我們要怎麼跟外星人解釋這兩堆的大小相同?

我們要怎麼跟外星人解釋這兩堆的大小相同?圖/經濟新潮社

我們不能用「相等」這個詞,因為它正是我們要去解釋的東西。這個外星人想了解我們說兩樣事物「相等」或「相同」時是什麼意思,以及它的主要概念是什麼。

有個方法行得通。把兩堆東西並排起來,一個對一個。如果兩兩配對後正好用完,沒有剩餘,表示這兩堆東西大小相同。

如果兩兩配對後正好用完,沒有剩餘,表示這兩堆東西大小相同。圖/經濟新潮社
圖/經濟新潮社

「提出相反問題」的技巧確實有用。只要把這個規則反轉過來,就能得到「較大」的定義。

圖/經濟新潮社

現在問題已經定義清楚了,答案也隨之確定。那麼,世界上有什麼事物比無窮更大?答案是「是」還是「否」?世界上有什麼事物和無窮兩兩配對之後還有剩餘?現在我們可以思考之後猜猜看。

無窮跟無窮 +1 誰比較大?

我們可以把無窮想成一個深不見底的袋子,裡面裝著無限多個物體。

我們可以從這個袋子裡拿出任意數量的物體,袋子裡也還剩下無限多個。

世界上怎麼可能有其他事物比它更大?好吧,如果是無窮加一呢?

多一個物體看來應該不會對無窮造成什麼影響,但我們用配對規則來確認看看。首先,我們可以把無窮袋中的物體排成一排,這樣比較容易看清楚哪個跟哪個配對。

如果我們以最顯而易見的方式配對,無窮加一看起來當然更大。

不過要小心!規則指出,兩個事物必須無法正好兩兩配對,才會有一者較大。(最好經常回頭看清楚規則!)還有一種配對方法確實可行,而且兩方都不會有剩餘:

如果你覺得這樣好像在騙人,請花點時間告訴自己,這樣真的沒錯。我們不是把一個物體跟點點點配對,而是把它跟隱藏在點點點中的下一個物體配對。既然兩個袋子都有無限多個物體,不會有物體配對不到,所以兩者大小相同。無窮加一等於無窮!

我來講個故事說明這個結果有多奇怪。

無窮大飯店!如何塞進無窮 +1 位客人

假設我們在一家非常特別的「無窮大飯店」當櫃臺接待人員。無窮大飯店有無限多間房間。飯店裡有條長長的走廊,沿著走廊有一排房門,連綿不絕地延續下去,無論走多遠都不會結束。走廊沒有盡頭,所以也沒有「無窮號房」或「最後一號房」。當然有一號房,每間房間也都有下一號房。

今天晚上格外忙碌,飯店裡每間房間都住滿了(對,這個世界裡有無限多個人)。如果沿走廊隨意走一段距離,選一扇門敲幾下,就會聽到:「有人!請勿打擾!」無限多間房間,裡面住著無限多個人。

接著有人從外面走進飯店大廳說:「請問還有房間嗎?」我們不是第一天在無窮大飯店工作,當然知道該怎麼做。我們拿起廣播系統麥克風說:「各位來賓,抱歉打擾一下,請各位來賓搬到下一間房間。沒錯,請收拾好行李,走出房門,朝遠離大廳的方向搬到下一間房間。謝謝合作,祝您有個愉快的夜晚。」大家都照做之後,就有房間給新住客了。

無限多間房間,無限多加一位住客,房間跟住客依然正好兩兩配對。無窮加一等於無窮。

無窮加五、無窮加一兆……都沒關係,這個邏輯全都成立。兩個袋子可以正好配對,可以多裝進一位客人。無窮非常大,任何有限的量根本沒得比。所以我們還沒有找到比無窮更大的事物。

——本文摘自《不用數字的數學:讓我們談談數學的概念,一些你從沒想過的事……激發無窮的想像力!》,2022 年 9 月,經濟新潮社,未經同意請勿轉載。

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「我和你之間的無限」——五条悟老師的能力竟與一個數學悖論有關!
數感實驗室_96
・2021/01/01 ・1446字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 430 ・四年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

繼《鬼滅之刃》的熱潮後,本季的新番動畫《咒術迴戰》亦來勢洶洶,特別是在動畫揭曉五条悟老師摘下眼罩後帥到天怒人怨的臉,以及近乎犯規的能力後,更引發了許多討論。而我們感興趣的是——五条悟老師的咒術與一個數學悖論有關。

株式會社 MAPPA《咒術迴戰》動畫片段

____________________防雷分隔線_______________________

____________________防雷分隔線_______________________

在動畫第七集中,五条悟讓對手漏瑚完全無法靠近他的手掌。他說:

「你觸碰到的是,我和你之間的無限。」

沒錯,這個能力和「芝諾悖論」有著異曲同工之妙。芝諾悖論的經典案例是:阿基里斯永遠追不上先起跑的烏龜。聽起來不合理吧?小孩子都能追上眼前的烏龜了,何況是號稱希臘第一勇士的阿基里斯?

阿基里斯號稱希臘第一勇士《阿基里斯的凱旋》。圖/Wikimedia common

對此,芝諾悖論的說法是,假設阿基里斯跟烏龜之間有一段距離,當阿基里斯花時間跑完這段距離時,烏龜同一時間又走了一小段;阿基里斯再花一點時間跑這一小段,同一時間烏龜又再往前走一小段。不管距離多近,阿基里斯都得再花一點時間去追趕,而同一時間,烏龜又可以再往前跑一點點。

換句話說,「追趕者首先應該達到被追者出發之點」的前提,限制了阿基里斯前進的距離,所以只要烏龜持續前進,阿基里斯永遠都追不到烏龜。
破解這個悖論最快的方法就是帶數字算一次,假設阿基里斯的跑速 10 公尺/秒,烏龜速度則是 0.1 公尺/秒。今天,烏龜先跑 999 公尺,則阿基里斯每次追趕所花的時間分別是:

999÷10 = 99.9 秒
99.9 秒×0.1÷10 = 0.999 秒
0.999 秒×0.1÷10 = 0.00999 秒
……

我們可以得到一個首項 99.9,公比 0.01 的無窮等比數列,雖然因為公比小於 1,它會收斂在約 101,表示阿基里斯花 101 秒就能追上烏龜。但如果就有「幾項」來說,那的確是無限多項,這個就是五条悟老師說的「我和你之間的無限」。

芝諾悖論的經典案例──阿基里斯與烏龜。圖/Wikipedia

動畫中,五条悟老師運用了這個悖論,讓對手漏瑚彷彿被一隻無形的超慢烏龜擋住,每次只能前進一點點,更重要的是,他的咒術得以讓漏瑚每次前進的時間,沒有因為距離縮短而變小。

阿基里斯之所以能追上烏龜的關鍵是,雖然有無限多項,但後期追趕的時間趨近於零。所以只要漏瑚每次前進的時間依然維持定值,那他就會真的被一隻無形的超慢烏龜擋住,每次前進距離變得無限小,他花了無限多的時間,依然無法移動,宛若靜止。

不愧是有著逆天設定的五條悟老師,連咒術的講解都那麼簡單幾句帶過,數學老師好好講,一堂課都要過去了啦!

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/